Le Transistor Bipolaire.

I) Présentation.
Le transistor a été élaboré pour la première fois en 1948. Il est composé de deux jonctions, placées
en série, très proches l'une de l'autre
et de polarité opposée.
On distingue le transistor NPN, et le
transistor PNP, dont voici les symbo-
les et conventions.
Avec les conventions fig:1.
v pour un NPN
iC, iE, iB sont positifs. VCE, VBE sont positifs.
v pour un PNP
iC, iE, iB sont positifs. VCE, VBE sont négatifs.
Nous allons étudier plus particulièrement le transistor NPN.
Il est constitué d'une jonction NP (Collecteur-Base) et d'une jonction PN (Base-Emetteur). Suivant
le mode de polarisation de ces deux jonctions (bloquée = inverse ou passante = directe), quatre
modes de fonctionnement du transistor peuvent apparaître:
Jonction collecteur-base Jonction base-émetteur Mode de fonctionnement
Inverse Directe Normal
Bloquée Bloquée Bloqué
Directe Directe Saturé
Directe Inverse Inverse
Enfin, il existe des relations entre les courants:
IS: courant de "saturation" Ut = kT/q = 25mV à 300K
II) Etude des régimes statique et dynamique.
Etude dans le cas du transistor NPN monté en émetteur commun.
Le montage étant représenté fig:2.
Le Transistor Bipolaire. TRAN2-TJ
Le transistor bipolaire. Page N°1tran2-tj
v iE = iC + iB
v iC = βiB + iCEO
v iC = αiE + iCBO avec α = β/(β+1) et
iCEO = (β+1)iCBO
v iE = IS [Exp(VBE/Ut) -1]
iC
iE
iBVCE
VBE
NPNiE
iC
iBVCE
VBE
PNP
fig:1

II-1) Etude du régime statique.
Les équations (lois des mailles pour les mailles d'entrée et
de sortie) donnent:
1) VBB = VBE + RB.IB
Soit IB = appelée: Droite d'attaque
V
b
b
−
V
b
e
R
b
2) VCC = VCE + RC.IC
Soit IC = appelée: Droite de charge
V
c
c
−
V
c
e
R
c
Le point de fonctionnement (en régime statique) du transistor est ainsi obtenu par intersection de la
droite d'attaque avec la caractéristique Ib = f(Vbe) du transistor (utilisation de la caractéristique
d'entrée du transistor). On utilise ensuite la caractéristique de transfert (Ic = f (Ib)). Enfin la carac-
téristique de sortie (Ic = f(Vce) pour différentes valeurs de Ib) permet par intersection avec la
droite de charge, d'obtenir le point de fonctionnement en sortie (Vce).
@ Exercice: VCC = 10v RC = 360Ω VBB = 1v pour RB = 5kΩ puis RB = 1,4kΩ.
Déterminez graphiquement les points de fonctionnement relatifs à ces deux cas de polarisation
(Transistor: 2N2222).
II-2) Etude en régime linéaire: schéma équivalent dynamique.
En régime dynamique (signaux de faible amplitude autour d'un point de fonctionnement fixe appelé
point de repos), on peut décrire le comportement d'un transistor à l'aide des paramètres d'un qua-
dripôle. On utilise de préférence les paramètres h (hybrides) et y (admittances).
Paramètres hybrides: (hybride signifie: issu de 2 espèces différentes = mélangé).
Ces paramètres sont appelés hybrides car ils donnent u1 et i2 (une tension et un courant, l'un d'en-
trée l'autre de sortie) à partir du produit de la matrice des paramètre hybrides et du vecteur formé
par i1 et u2 (les deux autres grandeurs: courant d'entrée et tension de sortie)
u1
i2
= h11 h12
h21 h22
* i1
u2
Soit en développant:
u1 = h11.i1 + h12.u2
i2 = h21.i1 + h22.u2
Paramètres admittances y:
Ces paramètres sont appelés ainsi car ils donnent i1 et i2 à partir du produit de la matrice des para-
mètre admittance et du vecteur formé par u1 et u2.
i1
i2
= y11 y12
y21 y22
* u1
u2
Attention les paramètres h et y dépendent du montage (émetteur commun ou base commune,
car l'entrée se fait sur la base pour le premier et sur l'émetteur pour le montage base commune). On
ajoute donc en indice sur les paramètres h ou y, les lettres e ou b pour indiquer le type de montage.
Le transistor bipolaire. Page N°2tran2-tj
iC
iB
VBE
VCE
VCC
RC
VBB
RB
0v
fig:2
Quadripole
u1 u2
i1 i2
0V

Le transistor monté en émetteur commun admet alors le schéma équivalent en dynamique (basse
fréquence) représenté ci-contre.
Dans ce cas i1=ib, u1= vbe, i2=ic et u2=vce
vbe = h11. ib + h12. vce
ic = h21. ib + h22. vce
(Rem: il faudrait alors écrire h11e, h12e, h21e et
h22e), ou:
vbe = hIE ib + hRE vce
ic = hFE ib + hOE vce
En première approximation on néglige souvent h12.vce devant h11.ib, et h22.vce devant h21.ib. Le
schéma équivalent du transistor correspond alors au schéma simplifié en basse fréquence représenté
fig:3.
Ce schéma est défini par le système d'équation:
{vbe = h11. ib
ic = h21. ib
v le paramètre h11 dépend du courant de polarisation IC:
h11 = h21 Ut Ut = kT/q = 25mV à 300K
IC IC: Courant de repos
v le paramètre h21 n'est pas constant avec la fréquence. A partir d'une fréquence de coupure ap-
pelée fβ, il décroît de -20 dB/décade.
Soit: h21 = β
1 + jf / fβ
fβ est connu par l'intermédiaire de fT (fréquence de
transition) qui est une donnée constructeur.
h21 = 1 pour f = fT, soit fT = β β fββ
Exemple: pour le 2N2222 βmin = 75 et fTmin =
250 MHz d'où fβ = 3,3 MHz .
II.3) Etude en régime de commutation.
v Le point de fonctionnement se trouve sur la courbe IC=f(VCE) pour IB=0: c'est la zone de
blocage du transistor. (Blocage VBE < 0,6v)
v Le point de fonctionnement est en dessous de βiB: c'est la zone de saturation du transis-
tor. (Saturation IC < βmini iB)
@ Repérez sur le document caractéristique d'un transistor bipolaire 2N2222, les deux zones
caractérisant le fonctionnement en régime de commutation.
II.3) Bilan énergétique.
La puissance totale dissipée dans un transistor est la somme des puissances dissipées au niveau de
Le transistor bipolaire. Page N°3tran2-tj
ib
h11
h21 ib
vbevce
ic
B
E
C
β
fig:3
u1 u2
i2
i1 h11
h12.u2
h21.i1
1
h22
b
e e
c
β
h21
(dB)
f
(dB)
0
f
β
fT

la caractéristique d'attaque (puissance d'entrée: Pe) et au niveau de la caractéristique de charge
(puissance de sortie: Ps). Dans la plupart des applications, la puissance dissipée en sortie est bien
plus grande que celle dissipée en entrée!
Ptot = Pe + Ps = VBE.IB + VCE.IC ≈ VCE.IC
Or la puissance que peut dissiper un transistor est limitée. Cette limitation est due à l'élévation de la
température du silicium qui ne peut dépasser une valeur maximale, dite température maximale de
jonction. Cette grandeur est une donnée caractéristique de chaque transistor. Cependant elle se si-
tue le plus souvent dans la plage:
125°C ≤ Tjmax ≤ 200°C
@ Calculez la puissance totale dissipée dans le transistor 2N2222, pour le premier point de
fonctionnement précédemment défini (RB=5kΩ) et vérifiez que Ptot ≈ VCE.IC
Tracez sur le document caractéristique d'un transistor bipolaire Ic=f(Vce), la courbe d'isopuissance
maximale du transistor 2N2222: hyperbole de dissipation maximale.
Conclure sur le fonctionnement du transistor en régime de commutation.
Dans le cas où la température de jonction, calculée avec les paramètres de l'application dépasse la
température maximale de jonction autorisée pour le semi-conducteur, il est nécessaire d'utiliser un
dissipateur de chaleur appelé aussi refroidisseur ou radiateur, afin d'améliorer le transfert des calo-
ries de la jonction vers l'air ambiant (diminution de la résistance thermique entre la jonction et l'air
ambiant Rthja):
Tja = Tj - Tamb = Rthja.Ptot avec Rthja en K/W ou en °C/W
Les performances thermiques des refroidisseurs dépendent de la conductivité thermique de la ma-
tière utilisée (le plus souvent de l'aluminium), des dimensions de la surface, de la masse, de la cou-
leur et de la position de montage. Ces performances sont caractérisées par la résistance thermique
Rthra du refroidisseur.
C'est cette valeur Rthra qu'il faut déterminer à partir des données de l'application et en utilisant la
formule:
Rthra = Tjmax - Tamb - (Rthjc + Rthcr)
P
P: Puissance totale que doit dissiper le transistor
Tjmax: Température de jonction maximale en °C, donnée par le fabricant du semi-conduc-
teur (à réduire de 20 à 30°C comme coefficient de sécurité)
Tamb: Température ambiante en °C (à augmenter de 10 à 30°C pour tenir compte de la ra-
diation du refroidisseur)
Rthjc: Résistance thermique jonction/boîtier (case), donnée par le fabricant du semi-con-
ducteur, en °C/W ou en K/W
Rthcr: Résistance thermique boîtier/refroidisseur. Cette résistance dépend du montage du
transistor sur le refroidisseur.
Le transistor bipolaire. Page N°4tran2-tj

Rthra: Résistance thermique du refroidisseur.
Pour un boîtier TO3, voici quelques valeurs caractéristiques de Rthcr:
v Montage à sec, sans isolation: 0,05°C/W ≤ Rthcr ≤ 0,2°C/W
v Montage avec pâte thermique, sans isolation: 0,005°C/W ≤ Rthcr ≤ 0,1°C/W
v Montage avec mica (0,05 mm) et pâte thermique: 0,4°C/W ≤ Rthcr ≤ 0,9°C/W
v Montage avec entretoise en oxyde d'aluminium et pâte thermique:
0,2°C/W ≤ Rthcr ≤ 0,6°C/W
Exemple: Un transistor 2N3055 doit dissiper 40 W, sous une température ambiante de 25°C. Le
montage sur le refroidisseur s'effectue avec pâte thermique et isolation mica (0,05 mm). Les don-
nées du fabricant relatives au 2N3055 sont:
Tjmax = 200°C et Rthjc = 1,5°C/W
Détermination de la résistance thermique maximale du refroidisseur nécessaire:
Rthra = Tjmax - Tamb - (Rthjc + Rthcr)
P
avec Tjmax = 200 - 20 = 180°C (par sécurité)
Tamb = 25 + 20 = 45°C
Rthcr = 0,9°C/W
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